La détection améliorée par intrication ouvre la voie aux capteurs quantiques avancés

Par Université d’Innsbruck30 août 2023

Les physiciens d'Innsbruck ont ​​enchevêtré toutes les particules de la chaîne les unes dans les autres et ont produit ce qu'on appelle l'état quantique comprimé. Crédit : Steven Burrows et le groupe Rey/JILA

Les institutions métrologiques du monde entier gèrent notre temps à l’aide d’horloges atomiques basées sur les oscillations naturelles des atomes. Ces horloges, essentielles pour des applications telles que la navigation par satellite ou le transfert de données, ont récemment été améliorées grâce à l'utilisation de fréquences d'oscillation toujours plus élevées dans les horloges atomiques optiques.

Now, scientists at the University of Innsbruck and the Institute of Quantum Optics and Quantum Information (IQOQI) of the Austrian Academy of Sciences led by Christian Roos show how a particular way of creating entanglement can be used to further improve the accuracyHow close the measured value conforms to the correct value." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">précision des mesures faisant partie intégrante du fonctionnement d'une horloge atomique optique.

Les observations de systèmes quantiques sont toujours soumises à une certaine incertitude statistique. «Cela est dû à la nature du monde quantique», explique Johannes Franke de l'équipe de Christian Roos. "L'enchevêtrement peut nous aider à réduire ces erreurs."

Avec le soutien de la théoricienne Ana Maria Rey du JILA à Boulder, aux États-Unis, les physiciens d'Innsbruck ont ​​testé en laboratoire la précision des mesures sur un ensemble de particules intriquées. Les chercheurs ont utilisé des lasers pour régler l’interaction des ions alignés dans une chambre à vide et les ont enchevêtrés.

« L’interaction entre particules voisines diminue avec la distance entre les particules. Nous avons donc utilisé des interactions d’échange de spin pour permettre au système de se comporter de manière plus collective », explique Raphael Kaubrügger du Département de physique théorique de l’Université d’Innsbruck.

Ainsi, toutes les particules de la chaîne étaient enchevêtrées les unes dans les autres et produisaient un état quantique dit comprimé. Grâce à cela, les physiciens ont pu montrer que les erreurs de mesure peuvent être réduites de moitié environ en intriquant 51 ions par rapport aux particules individuelles. Auparavant, la détection améliorée par intrication reposait principalement sur des interactions infinies, limitant son applicabilité à certaines plates-formes quantiques uniquement.

Grâce à leurs expériences, les physiciens quantiques d'Innsbruck ont ​​démontré que l'intrication quantique rend les capteurs encore plus sensibles. «Nous avons utilisé dans nos expériences une transition optique qui est également utilisée dans les horloges atomiques», explique Christian Roos. Cette technologie pourrait améliorer les domaines dans lesquels les horloges atomiques sont actuellement utilisées, comme la navigation par satellite ou le transfert de données. De plus, ces horloges avancées pourraient ouvrir de nouvelles possibilités dans des domaines tels que la recherche de matière noire ou la détermination des variations temporelles de constantes fondamentales.

Christian Roos et son équipe souhaitent désormais tester la nouvelle méthode dans des ensembles d'ions bidimensionnels. Les résultats actuels ont été publiés dans la revue Nature. Dans le même numéro, des chercheurs ont publié des résultats très similaires utilisant des atomes neutres. La recherche à Innsbruck a été soutenue financièrement, entre autres, par le Fonds scientifique autrichien FWF et la Fédération des industries autrichiennes du Tyrol.

Référence : « Quantum-enhanced sensing on optic transitions through finite-range interactions » par Johannes Franke, Sean R. Muleady, Raphael Kaubruegger, Florian Kranzl, Rainer Blatt, Ana Maria Rey, Manoj K. Joshi et Christian F. Roos, 30 août 2023, Nature.DOI : 10.1038/s41586-023-06472-z